(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＥＭＳ構造物のモーションを１つの電極で行うことができるＭＥＭＳ構造物駆動装置および駆動方法を提供する。【解決手段】ＭＥＭＳ構造物の駆動信号を生成・出力する駆動信号発生部２０、ＭＥＭＳ構造物の動きを検知し、これに対応するモーション電流信号を出力するモーション検知部２１、モーション検知部から出力されるモーション電流信号を増幅してモーション電圧信号として出力する増幅部２２、駆動信号発生部からの駆動信号を増幅して駆動信号として出力する利得調整部２４、増幅部と利得調整部とからそれぞれ入力された信号を加減演算し駆動信号が相殺されたモーション信号を出力する差分回路部２５、差分回路部から入力されたモーション信号のうち所定周波数のモーション信号を選択して出力するモーション信号検出部２６を含む。【選択図】図３
2005177985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  System）構造物を駆動するための第１の駆動信号を生成して出力する駆動信号発生部と、
１つの可変コンデンサからなり、前記第１の駆動信号に応じて駆動する前記ＭＥＭＳ構造物の動きを検知し、これに対応するモーション電流信号を出力するモーション検知部と、
前記モーション検知部から出力されるモーション電流信号を増幅してモーション電圧信号として出力する増幅部と、
前記駆動信号発生部からの前記第１の駆動信号が入力され所定の利得増幅された第２の駆動信号として出力する利得調整部と、
前記増幅部から出力された前記モーション電圧信号と前記利得調整部から出力された前記第２の駆動信号とについて加減演算を行なって前記第２の駆動信号が相殺されたモーション信号を出力する差分回路部と、
前記差分回路部から出力された前記モーション信号のうち所定周波数のモーション信号を選択して出力するモーション信号検出部と、
を含むことを特徴とする単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置。
【請求項２】
前記可変コンデンサは、前記ＭＥＭＳ構造物と一体に構成され前記第１の駆動信号が印加される移動電極板と、該移動電極板に対向して配され仮想接地される固定電極板とを含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置。
【請求項３】
前記増幅部は、
前記固定電極板と接続される負の入力端子、接地電極に接続される正の入力端子、および出力端子を備える増幅器と、
前記増幅器に並列接続される第１のコンデンサと、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置。
【請求項４】
前記可変コンデンサは、前記ＭＥＭＳ構造物と一体に形成され接地される移動電極板と、前記移動電極板に対向して配され前記第１の駆動信号が印加される固定電極板と、を含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置。
【請求項５】
前記増幅部は、
前記固定電極板と接続される負の入力端子、前記駆動信号生成部に接続される正の入力端子、および出力端子を備える増幅器と、
前記増幅器に並列接続される第２のコンデンサと、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置。
【請求項６】
前記モーション信号検出部は、帯域通過フィルタであることを特徴とする請求項１に記載の単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置。
【請求項７】
前記利得調整部は、前記増幅部から出力された前記モーション信号に含まれた第３の駆動信号の振幅と対応するように前記第１の駆動信号を増幅する増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置。
【請求項８】
ＭＥＭＳ構造物を駆動するための第１の駆動信号を生成して出力するステップと、
可変コンデンサからなり、前記第１の駆動信号に応じて駆動する前記ＭＥＭＳ構造物の動きを検知し、これに対応するモーション電流信号を出力するステップと、
前記モーション電流信号を増幅してモーション電圧信号として出力するステップと、
前記第１の駆動信号が入力され所定の利得増幅された第２の駆動信号として出力するステップと、
前記モーション電圧信号と前記第２の駆動信号とについて加減演算を行なって前記第２の駆動信号が相殺されたモーション信号を出力するステップと、
前記モーション信号から所定周波数のモーション信号を選択して出力するステップと、
を含むことを特徴とする単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知方法。
【請求項９】
前記可変コンデンサは、前記ＭＥＭＳ構造物と一体に構成され前記第１の駆動信号が印加される移動電極板と、該移動電極板に対向して配され仮想接地される固定電極板とを含むことを特徴とする請求項８に記載の単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  System）技術により製造された構造物を駆動させ、それによる構造物のモーションを検知するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳは、機械的部品を半導体工程を用いて電気的素子に具現する技術であって、これを用いると数μm以下の超微細構造を有する機械・装備が設計できるという点から、電子、機械、医療、放散などの全産業分野に渡って目ざましい変革を引き起こすと予測されている。特に、最近注目を浴びているＭＥＭＳ技術により製造されたセンサは一般的に超小型であるため、携帯電話のような種々の小型機器に内蔵されている数十nm〜数umまでの機械的動きを数picoＦの電気的信号で検知する動作を行なう。係るＭＥＭＳ構造物の変位は静電容量の変化量を用いて検出できる。以下、従来のＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置につき詳説する。
【０００３】
１は、従来技術によるＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置の回路構成図である。同図を参照すると、ＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置は、駆動電源５、駆動電源５から駆動信号を印加されＭＥＭＳ構造物を駆動させる第１の可変コンデンサ６ａ、第１の可変コンデンサ６ａに直列接続されＭＥＭＳ構造物のモーションを検知してモーション信号を提供する第２の可変コンデンサ６ｂ、第２の可変コンデンサ６ｂに接続され電流形態の入力信号を増幅された電圧信号Voutに出力する増幅回路８を含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図２は、図１に示された第１及び第２の可変コンデンサ６ａ、６ｂの構成を説明するための図である。同図を参照すると、駆動信号が印加される第１の固定電極板１１ａ、第１の固定電極板１１ａと所定の間隔隔てられて配置されている第２の固定電極板１１ｂ、バネ１２、ダンパー１３に連結されて所定の方向で移動自在のＭＥＭＳ構造物１４と一体に構成される移動電極板１５が第１の固定電極板１１ａと第２の固定電極板１１ｂとの間に配される。尚、第１の固定電極板１１ａと移動電極板１５は第１の可変コンデンサ６ａを具現し、移動電極板１５と第２の固定伝教板１１ｂは第２の可変コンデンサ６ｂを具現する。
【０００５】
前述したＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置は、ＭＥＭＳ構造物１４を駆動させるための駆動電極と別にＭＥＭＳ構造物１４のモーションを検知するための検知電極を別に備えている。係る構成によると、ＭＥＭＳ構造物１４の駆動につき役に立たなかった検知電極が加えられることにより、超小型化が求められるシステムにおいて面積の増加といった問題が挙げられる。
【０００６】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、ＭＥＭＳ構造物の駆動とこれによるＭＥＭＳ構造物のモーションを１つの電極で具現させるＭＥＭＳ構造物の駆動、駆動検知装置およびその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明１は、
・ＭＥＭＳ構造物を駆動させるための第１の駆動信号を生成して出力する駆動信号発生部、
・１つの可変コンデンサからなり、前記第１の駆動信号に応じて駆動する前記ＭＥＭＳ構造物の動きを検知し、これに対応するモーション電流信号を出力するモーション検知部、
・前記モーション検知部から出力されるモーション電流信号を増幅してモーション電圧信号として出力する増幅部、
・前記駆動信号発生部からの前記第１の駆動信号が入力され所定の利得増幅された第２の駆動信号として出力する利得調整部、
・前記増幅部から出力された前記モーション電圧信号と前記利得調整部から出力された前記第２の駆動信号とについて加減演算を行なって前記第２の駆動信号が相殺されたモーション信号を出力する差分回路部、
・前記差分回路部から出力された前記モーション信号のうち所定周波数のモーション信号を選択して出力するモーション信号検出部、
を含む単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置を提供する。
【０００８】
本発明２は、前記発明１において、前記可変コンデンサが、前記ＭＥＭＳ構造物と一体に構成され前記第１の駆動信号が印加される移動電極板と、該移動電極板に対向して配され仮想接地される固定電極板とを含んで構成されている単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置を提供する。
【０００９】
本発明３は、前記発明２において、前記増幅部は、前記固定電極板と接続される負の入力端子、接地電極に接続される正の入力端子、および出力端子を備える増幅器と、前記増幅器に並列接続される第１のコンデンサと、を含む単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置を提供する。
【００１０】
本発明４は、前記発明１において、前記可変コンデンサは、前記ＭＥＭＳ構造物と一体に形成され接地される移動電極板と、前記移動電極板に対向して配され前記第１の駆動信号が印加される固定電極板と、を含んで構成されている単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置を提供する。
【００１１】
本発明５は、前記発明４において、前記増幅部は、前記固定電極板と接続される負の入力端子、前記駆動信号生成部に接続される正の入力端子、および出力端子を備える増幅器と、前記増幅器に並列接続される第２のコンデンサと、を含む単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置を提供する。
【００１２】
本発明６は、前記発明１において、前記モーション信号検出部は帯域通過フィルタである単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置を提供する。
【００１３】
本発明７は、前記発明１において、前記利得調整部は、前記増幅部から出力されたモーション信号に含まれた第３の駆動信号の振幅と対応するように前記第１の駆動信号を増幅する増幅器である単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置を提供する。入力される２つの駆動信号が互いに相殺されることによって、出力される信号に第１の駆動信号を含ませないようにすることができる。
【００１４】
本発明８は、下記のステップを含む単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知方法を提供する。
・ＭＥＭＳ構造物を駆動するための第１の駆動信号を生成して出力するステップ、
・可変コンデンサからなり、前記第１の駆動信号に応じて駆動する前記ＭＥＭＳ構造物の動きを検知し、これに対応するモーション電流信号を出力するステップ、
・前記モーション電流信号を増幅してモーション電圧信号として出力するステップ、
・前記第１の駆動信号が入力され所定の利得増幅された第２の駆動信号として出力するステップ、
・前記モーション電圧信号と前記第２の駆動信号とについて加減演算を行なって前記第２の駆動信号が相殺されたモーション信号を出力するステップ、
・前記モーション信号から所定周波数のモーション信号を選択して出力するステップ。
【００１５】
本発明９は、前記発明８において、前記可変コンデンサは、前記ＭＥＭＳ構造物と一体に構成され前記第１の駆動信号が印加される移動電極板と該移動電極板に対向して配され仮想接地される固定電極板とを含む単一電極を用いたＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、ＭＥＭＳ構造物を駆動してそのモーションを検知するための装置が単一電極で具現されることにより、ＭＥＭＳ構造物のサイズを減少させ得ると共に、電力効率をも高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳述する。
＜実施形態＞
図３は、本発明に係るＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置の構成を示したブロック図である。本ＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置は、駆動信号発生部２０、モーション検知部２１、増幅部２２、利得調整部２４、差分回路部２５、およびモーション信号検出部２６を有する。
【００１８】
駆動信号発生部２０は、ＭＥＭＳ構造物を駆動するための周期的な矩形波、または正弦波などの駆動信号Vs（第１の駆動信号）を出力する電圧源または電流源から具現され得る。
【００１９】
モーション検知部２１は、駆動信号Vsに応じて駆動するＭＥＭＳ構造物のモーション情報を検知しモーション信号を提供する。ここから得られる信号には駆動信号Vsが含まれている。モーション検知部２１は、ＭＥＭＳ構造物と一体に形成された移動電極板と固定電極板から構成された可変コンデンサで具現される。そして、検知対象であるＭＥＭＳ構造物、例えば静電型加速度器、アクチュエータまたはジャイロスコープは可変コンデンサでモデリングされるべきである。従って、可変コンデンサの静電容量変化を検出すれば、ＭＥＭＳ構造物のモーション情報が得られる。
【００２０】
増幅部２２は、モーション検知部２１が提供される電流形態のモーション信号（Ｉ）を電圧形態の増幅されたモーション信号V1に変換して出力する。係る増幅部２２は、増幅器とコンデンサとの組合せから構成される電荷増幅器の形態で具現され得る。
【００２１】
利得調整部２４は、モーション検知部２１に並列接続されており、駆動信号発生部２０にて出力する駆動信号Vsを所定の利得で増幅させる。これは演算増幅器と並列接続される抵抗またはコンデンサを組み合わせることで具現することが可能であり、その他に可変抵抗や乗算器などを用いて具現され得る。
【００２２】
差分回路部２５は、増幅された駆動信号を含んでいるモーション信号と利得調整部２４で増幅された駆動信号（第２の駆動信号）とを印加し加減演算を行なう。尚、利得調整部２４はモーション信号に含まれた駆動信号の振幅と、利得調整部２４を介して差分回路部２５へ入力される駆動信号の振幅とが同一になるよう利得を調整する。そして、差分回路部２５においては、２つの入力される駆動信号が互いに相殺されることによって、出力されるモーション信号V2には駆動信号Vsを含ませない。
【００２３】
モーション信号検出部２６に印加されるモーション信号V2には、コンデンサの変化量(ΔＣ)に対応する信号だけでなく、静電容量C0に対応するＤＣ信号および第２の高周波信号も含まれているので、このような信号を取除く必要がある。モーション信号検出部２６は、係る不要な信号を遮断し静電容量の変化量(ΔＣ)に対応するモーション信号Voutのみを検出し出力する。
【００２４】
図４は本発明に係るＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置の好適な第１の実施形態の回路構成図である。同図を参照すると、駆動電源３０から出力される所定の周波数ωを有する駆動信号Vsは、ノードN1から分離され可変コンデンサ３１と可変増幅器３４とに印加される。
【００２５】
尚、可変コンデンサ３１の構成につき図５を参照しながら詳説する。可変コンデンサ３１は、固定電極板４１と、移動可能なＭＥＭＳ構造部物４４と一体に形成された移動電極板４５と、で具現される。移動電極板４５に周波数ωの駆動信号Vsが印加されれば、これに対応してＭＥＭＳ構造物４４および移動電極板４５がバネ４２およびダンパー４３に支えられ周波数ωで振動する。即ち、移動電極板４５のモーションにより２つの電極板４１、４５から構成される可変コンデンサ３１の静電容量C(C0+ΔＣ)は変化する。かかる静電容量Ｃの変化に対する情報は電流形態の信号として出力される。
【００２６】
一方、図４に再び戻って詳説すると、増幅器３２の正の端子は接地電極に接続されノードN2の電位はゼロとなり、可変コンデンサ３１からノードN2に流入される電流信号は容量Ｃfのコンデンサ３３（第１のコンデンサ）に流出される。コンデンサ３３は、増幅器３２に並列に接続されている。これを式で表すと次の通りである。
【００２７】
【数１】
2005177985.tif 000003
尚、V1はノードN3における電位である。上式を整理してみると下式で表される、増幅された出力信号V1が得られる。
【００２８】
【数２】
2005177985.tif 000004
尚、C=C0+ΔＣ、Vs=Vsdc+Vsacであるので、出力信号 V1 にはDC信号、周波数ωの静電容量の変化信号、周波数ωの駆動信号Vs、および周波数2ωの信号が含まれている。
【００２９】
可変増幅器３４では、出力信号V1のうち周波数ωの駆動信号（第３の駆動信号）とその振幅が同一になるよう、入力される駆動信号Vsを所定の利得で増幅し加算器３５に出力する。そして、加算器３５では入力される周波数ωの２つの駆動信号が互いに相殺するよう演算を行なって帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）３６に信号 V2を出力する。帯域通過フィルタ３６は、入力される信号 V2のうち周波数ωのモーション信号Voutのみを選択して出力するように構成される。選択されたモーション信号Voutを用いて可変コンデンサのモーション、即ち、ＭＥＭＳ構造物のモーションに対する情報を得られることができる。
【００３０】
図６は本発明に係るＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置の好適な第２の実施形態の回路構成図である。同図を参照すると、駆動電源５０から出力される所定周波数ωを有する駆動信号Vsは、ノードP1において分離され、増幅器５２の正の端子と可変増幅器５４とに印加される。増幅器５２の負の端子には、一端が接地電極に接続された可変コンデンサ５１が接続される。
【００３１】
尚、可変コンデンサ５１の構成につき図７を参照しながら詳説する。可変コンデンサ５１は、駆動信号Vsが印加される固定電極板６１と移動可能なＭＥＭＳ構造物６４とが一体に形成された移動電極板６５から具現される。固定電極板６１に周波数ωの駆動信号Vsが印加されれば、これに対応してＭＥＭＳ構造物６４および移動電極板６５がバネ６２およびダンパー６３に支えられて周波数ωで振動する。即ち、移動電極板６５のモーションにより２つの電極板６１、６５から構成される可変コンデンサ５１の静電容量 C (C0 +ΔＣ)は変化する。かかる静電容量Ｃの変化に対する情報は電流形態の信号ｉとして出力される。
【００３２】
一方、ノードP2の電位はVsとなり、可変コンデンサ５１からノードP2に流入される電流信号ｉは容量Ｃfのコンデンサ５３（第２のコンデンサ）に流出される。コンデンサ５３は、増幅器５２に並列に接続されている。これを式で表すと次の通りである。
【００３３】
【数３】
2005177985.tif 000005
尚、V1はノードP3における電位である。上式を整理してみると下式で表される増幅された出力信号V1が得られる。
【００３４】
【数４】
2005177985.tif 000006
尚、C=C0+ΔＣ、Vs=Vsdc+Vsacであるので、出力信号 V1 にはDC信号、周波数ωの静電容量の変化信号、周波数ωの駆動信号、および周波数2ωの信号が含まれている。
【００３５】
可変増幅器５４では、入力される駆動信号を出力信号V1のうち周波数ωの駆動信号とその振幅が同一になるよう、所定の利得で増幅し加算器５５で出力する。そして、加算器５５では入力される周波数ωの２つの駆動信号が互いに相殺するよう演算を行なって帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）５６で信号V2を出力する。帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）５６は、入力される信号 V2のうち周波数ωのモーション信号Voutのみを選択して出力するように構成される。選択されたモーション信号Voutを用いて可変コンデンサのモーション、即ち、ＭＥＭＳ構造物のモーションに対する情報を得られることができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施の形態について添付の図面を参照して詳細に説明したが、以上の説明及び添付図面における多くの特定詳細は本発明のより全般的理解のために提供されるだけ、これら特定事項が本発明の範囲内で所定の変形や変更が可能であることは、当該技術分野で通常の知識を有する者には自明なことであろう。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明はＭＥＭＳ技術で製造された構造物を駆動させ、それに係る構造物のモーションを検知するための装置およびその方法に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術に係るＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置の回路図
【図２】図１で示した第１および第２のコンデンサの構成を説明するための図
【図３】本発明に係るＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置の構成を示したブロック図
【図４】本発明に係るＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置の好適な第１の実施形態の回路構成図
【図５】図４で示した可変コンデンサの構成を説明するための詳細構成図
【図６】本発明に係るＭＥＭＳ構造物の駆動および駆動検知装置の好適な第２の実施形態の回路構成図
【図７】図６で示した可変コンデンサの構成を説明するための詳細構成図
【符号の説明】
【００３９】
２０      駆動信号発生部
２１      モーション検知部
２２      増幅部
２４      利得調整部
２５      差分回路部
２６      モーション信号検出部
３０、５０    駆動電源
３１、５１    可変コンデンサ
３２、５２    増幅器
３３、５３    コンデンサ
３４、５４    可変増幅器
３５、５５    加算器
３６、５６    帯域通過フィルタ
【図１】
2005177985.tif 000007
【図２】
2005177985.tif 000008
【図３】
2005177985.tif 000009
【図４】
2005177985.tif 000010
【図５】
2005177985.tif 000011
【図６】
2005177985.tif 000012
【図７】
2005177985.tif 000013